王義昌,盧文波,陳 明,嚴 鵬

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.武漢大學水工巖石力學教育部重點實驗室,湖北武漢 430072)

高地應力區(qū)洞室圍巖開裂問題研究進展

王義昌1,2,盧文波1,2,陳 明1,2,嚴 鵬1,2

(1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.武漢大學水工巖石力學教育部重點實驗室,湖北武漢 430072)

綜述了近年來國內外高地應力下地下洞室圍巖開裂問題的研究進展,重點分析了圍巖開裂機理、應力和應變開裂判據(jù),總結了圍巖開裂影響因素及工程實際中常用的微震監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測等監(jiān)測與監(jiān)控手段和常用的數(shù)值模擬軟件,并指出了當前研究中存在的主要不足之處,包括爆破開挖、鄰洞開挖和中間主應力對圍巖開裂的影響等,認為爆炸荷載與地應力動態(tài)卸荷耦合分析、連續(xù)與非連續(xù)耦合數(shù)值模擬及地下洞室動態(tài)設計等將是今后的研究重點和突破方向。

地下洞室;圍巖開裂;高地應力;開裂判據(jù);圍巖監(jiān)測;數(shù)值模擬

圍巖開裂問題是指地下洞室開挖導致圍巖應力重分布,誘發(fā)圍巖出現(xiàn)片幫、剝落、層裂等由巖石裂紋擴展引發(fā)的圍巖脆性破壞問題[1-3]。

隨著我國西南水電資源的不斷開發(fā),深埋巖體工程越發(fā)常見,高地應力是這些工程面臨的首要問題。高地應力下地下工程圍巖的破壞形式與低地應力下明顯不同,主要為脆性開裂破壞[1,4-5],如二灘水電站所處區(qū)域地應力為20～38MPa,廠房上下游拱座及下游邊墻中部多處發(fā)生圍巖剝落、片幫等破壞現(xiàn)象[6];瀑布溝水電站的地應力水平為21～27MPa,廠房的上游拱角處發(fā)生片幫、剝落,廠房下游巖錨梁與圍巖結合部位出現(xiàn)明顯裂縫[7];錦屏Ⅱ級引水隧洞最大地應力超過70MPa,隧洞多次發(fā)生巖爆,圍巖出現(xiàn)多種形式的開裂破壞問題[8]等。高地應力下地下工程圍巖主要發(fā)生以開裂為主的脆性破壞,甚至可能誘發(fā)巖爆、圍巖持續(xù)松動、大變形等工程災害,給地下工程的可靠性和施工人員的安全帶來嚴峻挑戰(zhàn)。

對高應力地區(qū)圍巖開裂問題有一個較為深入的認識始于20世紀80年代國外對深部巖體開挖擾動區(qū)的研究。20世紀80年代,為開展放射性核廢物處置系統(tǒng)可行性研究,瑞典、瑞士、加拿大等國家相繼建立地下實驗室,并對不同斷面、不同埋深條件下,洞室圍巖開裂機理、擾動區(qū)分布以及開裂監(jiān)測等進行了研究[2-3,9-11]。國內對深埋洞室圍巖開裂問題的研究始于20世紀90年代,尤其是近幾年國內錦屏、小灣、溪洛渡等大型水電站地下洞室建設,為開展高地應力區(qū)圍巖開裂問題研究提供了豐富資料和良好基礎,很多學者采用不同方法,從不同的角度,在圍巖的監(jiān)測與分析、分區(qū)破壞、數(shù)值模擬等方面取得了很多研究成果[12-15]。

本文從圍巖開裂的機理、判據(jù)、影響因素、監(jiān)測與監(jiān)控手段、數(shù)值模擬等方面簡要探討高地應力區(qū)圍巖開裂問題的研究進展以及今后的研究重點。

1 高地應力下圍巖開裂機制

高地應力區(qū)地下工程巖體處于三向受壓狀態(tài),本身積蓄了大量的能量,洞室開挖使得這些能量得以釋放,圍巖應力發(fā)生重分布。圍巖應力狀態(tài)的改變是導致圍巖開裂的直接因素,不同的學者從不同的角度進行了研究。

1.1 壓剪開裂破壞機制

Walsh等[16]較早將雙向受壓情況下的二維翼型裂紋擴展模型應用到圍巖開裂破壞的分析中。在第一主應力σ1和第三主應力σ3作用下,裂紋先發(fā)生閉合而后轉換為Ⅰ型張拉裂紋進行擴展,得到裂紋的強度因子為

式中:a為裂紋長度的一半;α為裂紋與σ3之間的夾角;μ為裂紋面的摩擦系數(shù);l為翼型裂紋的長度。當翼型裂紋滿足KⅠ=KⅠC(KⅠC為巖石的斷裂韌度)時,裂紋發(fā)生穩(wěn)定擴展。在此基礎上,Li等[17]認為圍巖開裂是翼型裂紋擴展、貫通并最終形成宏觀剪切帶的過程,并研究了巖石的斷裂韌度、彈性模量、裂紋密度、裂紋長度等參數(shù)對圍巖開裂機制的影響。Eberhardt等[18]從細觀層面分析得到壓剪微裂紋的應力集中主要發(fā)生在巖石的晶體界面,裂紋長度與巖石晶粒尺寸有著密切關系。有學者在壓縮實驗中發(fā)現(xiàn),巖石裂紋體積應變εcv先減小后增大,圍壓開裂破壞過程存在一個裂紋閉合階段[19],一定程度上印證了圍巖發(fā)生壓剪開裂破壞機制的合理性。

國內朱維申等學者[20-22]基于壓剪開裂破壞模型,對復雜應力狀態(tài)下圍巖的開裂機制及不同強度準則下的開裂判據(jù)進行了研究;劉寧等[23]在此基礎上將開裂圍巖視為薄板組合,確定了相應的開裂判據(jù),計算得到圍巖的臨界應力、應變和圍巖開裂的范圍。

壓剪裂紋擴展模型較好地解決了單一裂紋的擴展情況,但實際巖石包含多種不同程度的缺陷,受壓條件下圍巖的真實開裂過程是多條裂紋相互聚集、貫通的結果。近年來,不少學者通過試驗和數(shù)值模擬等方法,對兩條或多條裂紋的擴展、貫通進行了研究。Morgan等[24]通過高速攝影儀,研究了包含兩條預制裂紋的花崗巖在單軸壓力作用下,裂紋的開裂和貫通情況,結果表明兩條裂紋貫通過程中,張性裂紋、剪切裂紋或二者的混合型裂紋都可能出現(xiàn),裂紋的類型與微裂紋的方向度、兩裂紋夾角及距離有關;在此基礎上,Lee等[25]選用3種不同材料試樣對同樣問題的試驗研究表明裂紋的類型與材料的性質也有直接關系。

1.2 劈裂拉伸破壞機制

實際工程中,洞室開挖將導致圍巖應力場發(fā)生調整,隧洞圍巖徑向應力σ3卸載,切向應力σ1發(fā)生加載,且靠近輪廓面處σ3的值接近零,而σ1和σ2則遠大于零,很多學者以此作為突破口,研究了當σ3等于或接近零時圍巖的開裂情況。Sahouryeh等[26]的雙軸壓縮試驗結果表明,當σ3等于零時,中間主應力σ2對裂紋的擴展有明顯影響,裂紋擴展平行于兩個加載方向。Cai[27]考慮巖體的不均勻性,采用數(shù)值計算工具模擬研究了類似應力狀態(tài)下巖石的開裂情況,結果顯示σ2抑制了垂直于σ2方向裂紋的擴展,裂紋擴展方向平行于σ1和σ2。這些研究解釋了圍巖沿平行于輪廓面方向發(fā)生開裂、出現(xiàn)層裂破壞的原因,表明在雙向受壓、另一個方向壓應力較小或接近零的情況下,圍巖發(fā)生劈裂拉伸破壞。

不少學者從細觀層面解釋了圍巖以拉裂為主的原因。Diederichs[28]采用PFC軟件模擬了受壓花崗巖的開裂破壞過程,結果顯示即使圍壓為20MPa,圍巖開裂破壞中的張拉型裂紋的數(shù)量也遠大于剪切型裂紋的數(shù)量,認為巖石的非均質性(包括晶粒尺寸、礦物成分)是導致裂紋以張型裂紋為主的主要原因;Lan等[29]則研究了巖石細觀結構(細觀尺寸、力學屬性、接觸屬性)的各向異性對開裂破壞的影響,結果也表明巖石的細觀各向異性導致了巖石內部拉應力的產(chǎn)生和相關裂紋的擴展。

國內錢七虎等[12,30-31]基于連續(xù)介質力學和模型試驗,采用簡化的圓形巷道模型,分析了圍巖的應變場和能量場,發(fā)現(xiàn)在圍巖的極限平衡區(qū)邊界存在徑向應變不連續(xù)和彈性應變能聚集的情況,導致圍巖拉應變超過其極限拉應變,發(fā)生劈裂破壞,而極限平衡區(qū)向深處的不斷發(fā)展最終導致了圍巖多次發(fā)生劈裂破壞,產(chǎn)生多個平行于輪廓面的深部裂紋。王明洋則[32]基于自相似構造模型,在考慮了巖石內的缺陷后,發(fā)現(xiàn)在不同的受力和卸載速率下,巖石內的缺陷部位會產(chǎn)生局部拉應力,當局部拉應力超過巖石的抗拉強度時,巖石發(fā)生脆性劈裂破壞。吳文平等[8]對錦屏Ⅱ級水電站隧洞開挖過程中遇到的片幫、剝落等圍巖破壞問題的分析也認為高地應力條件下,圍巖開裂破壞的主要機制是劈裂拉伸;而對于存在節(jié)理面或結構面的圍巖,開裂破壞機制才轉為剪切破壞。

1.3 彎折斷裂機制

孫廣忠等[33]假定圍巖由洞頂拱條和邊墻板條組合而成,各板條切向連續(xù)徑向不連續(xù),具有一定的抗彎能力,當洞壁圍巖變形過大,導致圍巖應變超過其極限張應變時,圍巖發(fā)生開裂;吳文平等[8]認為層狀或薄層狀圍巖在高圍壓下產(chǎn)生差異回彈,導致圍巖發(fā)生彎曲、折斷,最終導致圍巖開裂;侯哲生等[34]在研究圓形斷面隧洞的圍巖開裂問題時,則采用弧形巖板進行簡化分析,隧洞開挖導致洞壁附近圍巖徑向應力減小,切向應力增大,隨著切向應力的進一步集中,巖板內鼓彎曲,最終發(fā)生斷裂。彎折斷裂簡化了圍巖開裂問題,從而可以采用傳統(tǒng)解析法來解決復雜的圍巖開裂問題;但與實際圍巖的開裂情況還是存在明顯的差異,實際工程中并不是所有圍巖均發(fā)生明顯的彎折變形,如圍巖的深部開裂問題。

總的來說,實際地下工程中,不同應力狀態(tài)下圍巖的破壞機制不盡相同,低圍壓高集中應力下,圍巖破壞的主導機制是拉伸破裂,隨著圍壓的提高,逐漸轉變?yōu)橐约羟衅茐臋C制為主;而受巖石的晶粒結構、礦物成分,巖體中的節(jié)理、結構面的影響,圍巖開裂破壞是個復雜的過程,伴隨著張拉開裂、剪切開裂及二者結合情況的發(fā)生,最終導致圍巖發(fā)生開裂破壞。

2 圍巖開裂判據(jù)

根據(jù)巖石的受壓破裂試驗研究成果,巖石脆性開裂破壞過程大致可分為4個階段:裂紋閉合階段、線彈性階段、裂紋擴展階段和宏觀剪切破壞階段;裂紋起裂的應力值被定義為起裂應力σci,裂紋進入非穩(wěn)定擴展階段的應力值被定義為破損應力σcd。以巖石的受壓試驗為基礎,很多學者提出了圍巖開裂的兩種主要判據(jù):應變判據(jù)和應力判據(jù)。

2.1 應變判據(jù)

2.1.1 體積應變εv

Brace等[35]在分析花崗巖、大理巖等多種巖石的應力應變曲線時,發(fā)現(xiàn)體積應變曲線起初表現(xiàn)為線性,而后曲線會脫離線性,圍巖開始發(fā)生擴容,不同巖石的擴容點對應的應力值約為峰值強度的50%。此后,Martin等[36]提出了能夠反映加載過程中裂紋閉合與擴展的裂紋體積應變εcv的概念,定義εcv的計算公式為

式中:εv為體積應變;E為彈性模量;ν為泊松比。通過式(2)計算得到巖石的εcv與應力的關系曲線,當εcv開始脫離零時,巖石裂紋發(fā)生開裂,進而可以確定巖石的起裂點;但由于裂紋體積應變εcv是由巖石固有彈性參數(shù)計算得到的,導致εcv容易受巖石參數(shù)的影響,且由εcv確定的起裂應力σci難以忽略已有裂紋的影響[18]。

2.1.2 橫向應變εl

實際試驗中,巖樣的橫向應變εl要比體積應變εv敏感,但直接采用εl來判斷巖石是否開裂有很大的主觀性。Nicksiar等[37]假定軸向應力從零變化到σcd的過程中,橫向應變εl是線性變化的,從而得到一條參考直線,計算實際應力橫向應變曲線與參考線之間的差值,由差值與軸向應力關系曲線的峰值點作為巖石起裂點,對應的應力值為巖石的起裂應力σci。該法較好地排除了人為主觀性的干擾。Nicksiar測試了多個巖樣的σci值,并擬合直線,得到σci約為單軸抗壓強度的49%,與現(xiàn)場測試得到的圍巖開裂應力值(單軸抗壓強度σc的55%)比較接近。

2.2 應力判據(jù)

2.2.1 最大主應力法

Diederichs等[2]通過對應力應變曲線切線模量的分析,提出“系統(tǒng)開裂”點的概念,并得到其值為單軸抗壓強度的35%～50%。Cai等[3]總結了多個單軸或三軸壓縮試驗,得到σci/σc的變化范圍為0.36～0.6。實際工程中,如果最大主應力滿足σ1≥σci,則圍巖發(fā)生開裂,對不同的巖石,σci的取值范圍為單軸抗壓強度的35%～60%。

2.2.2 最大剪應力法

Martin等[38]研究認為圍巖發(fā)生脆性破壞時,黏聚力和摩擦力并不同時起作用,裂紋在起裂后發(fā)生擴展和張開,此時巖石主要靠黏聚力起作用,只有當裂紋擴展到一定程度,巖體破裂至產(chǎn)生相互摩擦時,摩擦力才發(fā)揮作用。結合Heok-Brown強度準則, Martin發(fā)現(xiàn)脆性破壞條件下,Heok-Brown強度準則中的參數(shù)m要取一個幾乎等于零的值,參數(shù)s則取0.11,進而提出了巖石開裂的應力準則:

瑞典硬巖實驗室(HRL)通過聲發(fā)射監(jiān)測得到圍巖開裂的應力值滿足σ1-σ3≈25MPa[39],約為0.13σc,與式(3)有明顯差異。Cai等[3]通過與地質強度指數(shù)(GSI)的結合,進一步提出了更加符合實際的應力判據(jù):

式中:σcm為考慮節(jié)理裂隙的巖體單軸抗壓強度;cm為巖體的黏聚力;φm為巖體的內摩擦角。對一般硬巖,當k取0.4～0.6時,圍巖開裂;當k達到0.8～1.0時,裂紋聚集,巖石破裂。

值得注意的是,實際圍巖的剝落開裂強度要明顯低于巖石抗壓強度峰值[40],這與圍巖脆性破壞強度關系密切,目前以雙線性或“S”形巖石強度包絡線的研究最為大家所認同[29.41]。

3 圍巖開裂的影響因素

3.1 初始地應力

a.初始地應力的大小對圍巖開裂情況有著直接的影響。巖體本身積蓄了大量的能量,地應力越高能量越大,洞室開挖為巖體增加了自由面,這必然導致巖體能量的釋放,改變原始巖體的賦存狀態(tài),圍巖初始應力場發(fā)生調整,并最終通過開裂、變形甚至巖爆等形式表現(xiàn)出來。Martin等[1,38]基于一定的理論和工程經(jīng)驗,提出了圍巖開裂最深點半徑df與圍巖應力之間的關系:

式中a為隧洞的半徑。

b.初始地應力與巖體強度的比值與圍巖開裂破壞形式有著密切的關系。Hoek等[4]在研究隧洞支護時,發(fā)現(xiàn)在較低應力條件下,洞室圍巖主要發(fā)生塊體脫落破壞,而高地應力下,圍巖表現(xiàn)為明顯的脆性開裂破壞;Martin等[1]在此基礎對地應力與巖體強度之比進行細化分類,考慮節(jié)理對圍巖開裂的影響,提出節(jié)理巖體在不同的應力強度比下,圍巖破壞的形式和范圍明顯不同。

c.主地應力相對隧洞軸線的方向對圍巖開裂范圍有直接的影響。由式(3)和式(4)不難發(fā)現(xiàn),對于同一個斷面,圍巖所受的主應力差越大,圍巖開裂的情況越嚴重,而圍巖的應力差與主應力相對于隧洞軸線的方向有著直接的關系,Martin等[9]在研究中發(fā)現(xiàn):當隧洞軸線與最大主應力σ1的方向垂直或夾角接近90°時,隧洞的開裂破壞范圍要明顯大于軸線與最大主應力σ1平行或夾角較小的情況;對錦屏Ⅱ級地下隧洞開挖損傷區(qū)范圍的聲波監(jiān)測結果也表明,隧洞軸線垂直于最大主應力時,鉆爆開挖損傷明顯要大于軸線平行于最大主應力時的情況[42];在水電站地下廠房的建設中,一般廠房軸線與主應力方向都接近平行或夾銳角,盡可能地減小圍巖開裂的范圍。

3.2 圍巖特性

a.圍巖的地質構成與圍巖開裂有著直接關系。巖石由多種不同的礦物晶體混合膠結而成,巖石的礦物成分、晶粒尺寸、微觀結構導致了巖石的各向異性,對圍巖的開裂造成影響。有研究表明,不同粒度的花崗巖體開裂情況明顯不同[43];巖石本身包含有大量的微裂紋,實際典型巖樣光片或薄片顯微觀察結果表明,微裂紋不僅在晶面之間存在,也從晶體內部穿過。這些因素導致巖石的各向異性,影響巖石的抗裂性能。

b.巖體的質量是影響圍巖開裂的另一重要因素。巖體是由巖石和結構面混合形成的一種復雜的不連續(xù)介質,巖體中包含大量的節(jié)理、斷層,這些結構面在很大程度上決定了巖體的質量。與完整巖體相比,包含節(jié)理、斷層的巖體更容易沿節(jié)理或缺陷區(qū)域發(fā)生開裂,如:白鶴灘水電站所處區(qū)域巖體,擁有著十分特殊的柱狀節(jié)理,表現(xiàn)出明顯的各向異性,開挖造成的裂紋擴展很大程度上是沿著本身已有的柱狀節(jié)理面進行的;巖體中的結構面也直接導致實際圍巖強度的下降,影響圍巖的開裂情況。

3.3 開挖方式

a.開挖方式對圍巖開裂情況有明顯影響。工程中常見的開挖方式有兩種:鉆爆開挖、機械開挖。Emsley等[39]的聲發(fā)射監(jiān)測結果表明,爆破開挖導致的聲發(fā)射活動深度與機械開挖相比要深得多;加拿大AECL地下實驗室的研究結果顯示鉆爆開挖更易造成圍巖拉伸開裂,精細控制爆破可以減小鉆爆開挖引起的圍巖開裂;結合Griffith強度準則,嚴鵬等[44]從鉆爆開挖引起圍巖動態(tài)卸荷的角度,對開挖引起的圍巖破損范圍進行了研究,表明鉆爆開挖造成的圍巖破損范圍更大。

b.支護的及時與合理性對圍巖的開裂也會產(chǎn)生影響。圍巖的開裂多伴隨著變形、剝落等破壞現(xiàn)象,這個過程實際是圍巖應力再平衡的過程。Read[11]對AECL地下實驗室的圍巖開裂情況進行了總結,發(fā)現(xiàn)對已發(fā)生開裂的圍巖,圍巖的剝落會進一步引發(fā)更為明顯的剪切破壞,形成深“V”形開裂破壞區(qū),開裂的深度會不斷加深直到圍巖達到新的穩(wěn)定。實際工程中,錨桿和鋼筋網(wǎng)等支護手段的使用會明顯減小和控制圍巖的變形,給圍巖提供足夠的支持,保證圍巖的穩(wěn)定,進而減小和控制圍巖開裂破壞的發(fā)生和擴展[8]。

3.4 隧洞的斷面形狀

不同斷面形狀下圍巖的開裂情況明顯不同。圍巖開裂破壞多發(fā)生在開挖自由面切向應力集中區(qū)域,而開挖斷面不同,圍巖的應力重分布不同,導致圍巖開裂破壞的區(qū)域也不同[11];Martin等[38]對不同Hoek-Brown參數(shù)下圍巖的開裂破壞情況進行的研究表明,方形隧洞的邊角區(qū)域出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象,極易使圍巖發(fā)生脆性開裂破壞,這也表明合理的隧洞斷面形式設計對預防圍巖的開裂有著重要的作用。

3.5 其他因素

影響圍巖開裂的因素還有含水率、溫度及化學、生物等因素。在開挖過程中新的開挖面不斷形成,開挖自由面的含水率、溫度不斷變化、波動,進而影響和改變洞室圍巖的強度和穩(wěn)定性,加劇洞室圍巖的開裂;圍巖自然化學性質的改變和生物的生長也會造成破損巖體性質的改變,降低圍巖的強度,加劇已有裂紋的擴展。

4 圍巖開裂的監(jiān)測與監(jiān)控

地下工程圍巖監(jiān)測對洞室的噴錨支護、圍巖穩(wěn)定以及工程施工期、運營期的安全都有著重要的作用。相比一般地下工程,高應力區(qū)地下洞室開挖多伴隨著圍巖深部開裂,甚至可能引發(fā)巖爆,一般的圍巖監(jiān)測技術已經(jīng)不能滿足其需要,必須用新的技術和方法來監(jiān)測和監(jiān)控圍巖開裂。

4.1 微震監(jiān)測

微震是指巖體在外力作用下,一個或多個局域源以彈性波的形式迅速釋放能量的過程。微震監(jiān)測技術起源于采礦誘發(fā)地震監(jiān)測,后來被推廣應用至隧道、核廢料深埋等地下工程監(jiān)測中,相比常規(guī)的變形監(jiān)測,微震監(jiān)測能夠獲得巖體發(fā)生破裂的分布區(qū)域和密集程度等信息。AECL地下實驗室在巷道密封試驗中運用微震監(jiān)測技術來監(jiān)控整個試驗區(qū)域的圍巖穩(wěn)定與脆性破裂情況[45];Cai等[46]則將微震事件的數(shù)量轉化為參數(shù)考慮到巖石的本構關系中,對開裂區(qū)域巖體的屬性進行校正,得到了圍巖開裂范圍;國內有學者將微震監(jiān)測技術應用到隧洞開挖引發(fā)巖爆的預測和廠房圍巖的安全性評估中[47]。由于在圍巖開裂監(jiān)測、巖爆預測等領域的良好應用,微震監(jiān)測技術在深埋地下工程圍巖監(jiān)測中應用越來越廣泛。

4.2 聲發(fā)射監(jiān)測

聲發(fā)射現(xiàn)象是由Kaiser發(fā)現(xiàn)的,原理與微震現(xiàn)象基本一致,是指材料由于變形、晶界移動、裂紋起裂與擴展等造成的局部彈性應變能瞬態(tài)釋放的現(xiàn)象[48]。聲發(fā)射監(jiān)測技術在圍巖開裂監(jiān)測中的應用有很多,Eberhardt等[18]將巖石聲發(fā)射事件數(shù)與軸向壓力曲線斜率的突變點作為巖石的開裂點,但Kaiser效應及突變點判斷的主觀性導致其在實際應用中存在一定的誤差;也有學者基于聲發(fā)射及其定位技術,研究了受壓巖石的裂紋萌生、擴展和貫通情況[49];AECL地下實驗室在隧洞圍巖監(jiān)測中也廣泛使用了聲發(fā)射監(jiān)測技術[45]。相比微震監(jiān)測,聲發(fā)射頻率較高,在小范圍精細監(jiān)測和實驗室研究中應用更多。

4.3 聲波監(jiān)測

與聲發(fā)射監(jiān)測被動接收不同,聲波監(jiān)測采取主動發(fā)射彈性波,由聲波參數(shù)的變化情況來判斷巖體的力學特性及結構特點。實際工程中多用聲波監(jiān)測圍巖損傷區(qū)的范圍、深度,如:錦屏Ⅱ級地下隧洞的損傷區(qū)范圍監(jiān)測采用了聲波測速法;Meglis等[50]采用超聲波速度層析成像技術對圍巖的邊墻、頂部區(qū)域微裂紋分布情況進行了研究;張國華等[51]將現(xiàn)場聲波監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結合起來,對推進式往復爆破作業(yè)下圍巖的累積損傷范圍進行了研究,取得良好成果。

除了以上幾種監(jiān)測技術,鉆孔取芯、鉆孔成像等也被應用到圍巖開裂監(jiān)測中。這些技術都有各自的特點。實際應用中,多根據(jù)具體情況選擇一種或多種圍巖開裂監(jiān)測技術以達到更準確的監(jiān)測效果。

5 圍巖開裂的數(shù)值模擬

結合圍巖開裂機制方面的研究進展不難發(fā)現(xiàn),數(shù)值模擬在圍巖開裂各方面研究中的應用越來越多。相比傳統(tǒng)力學分析、試驗研究等手段,數(shù)值模擬有很多優(yōu)勢,因而在近十幾年里得到快速發(fā)展,根據(jù)介質是否連續(xù),數(shù)值模擬方法主要分為連續(xù)介質法、非連續(xù)介質法以及二者相結合的方法[52],以下對基于不同方法的常用軟件進行分析。

5.1 連續(xù)介質法

連續(xù)介質法主要包括有限差分法(FDM)、有限元法(FEM)、邊界元法(BEM),其中BEM主要用來模擬等效彈性連續(xù)體的遠場巖石,在此不作詳細論述。

FLAC是一種基于拉格朗日差分法的顯式有限差分程序。它除了內置的多個力學模型外,用戶也可使用自帶FISH語言來自定義模型,用來研究巖土領域中的各種非線性問題十分合適。Cai等[46]將裂紋密度ω考慮到巖石的本構關系中,采用自定義模型對圍巖的開裂情況進行了模擬,與實際情況比較接近。在研究不同應力路徑對圍巖開裂的影響時,Cai[53]采用FLAC與Phase2進行了對比分析,發(fā)現(xiàn)在張拉和剪切兩種破壞形式下,圍巖的開裂范圍有明顯差異,究其原因主要是兩種軟件算法的差異造成的,FLAC軟件可以模擬圍巖的動態(tài)卸荷,而Phase2只能以一種準靜態(tài)的方式對圍巖開裂破壞范圍進行模擬。

Phase2是一種平面隱式有限元程序,在圍巖穩(wěn)定性分析、開裂范圍等方面有廣泛應用。Hidalgo等[54]采用Phase2軟件,對圍巖容易開裂的區(qū)域網(wǎng)格進行加密,選用最大主應變ε1、最小主應變ε3與試驗得到開裂應變閥值進行對比,得到圍巖開裂的深度,與實測結果十分接近。Cai等[46]在對圍巖實際開裂強度的研究中也采用了Phase2軟件,并考慮鉆爆開挖導致圍巖輪廓面不平整對圍巖開裂的影響,得到了不同時期圍巖的開裂深度和范圍,與實測數(shù)據(jù)十分吻合。

RFPA是基于有限元和統(tǒng)計損傷理論,考慮單元的細觀本構關系,將缺陷分布的隨機性等統(tǒng)計分布規(guī)律結合到數(shù)值計算中開發(fā)的程序[55]。Tang[55]從巖石的各向異性、巖石變形的非線性、巖石的破壞過程等3個方面詳細介紹了RFPA是如何滿足巖石脆性破壞的各方面要求的;RFPA對計算單元的力學參數(shù)(彈性模量、強度等)采用Weibull分布,充分考慮了巖石的非均勻性,并采用一種接近彈脆性的應力應變關系來模擬巖石的非線性特性;在裂紋擴展、平行于輪廓面深部裂紋等方面,RFPA有廣泛的應用[56]。

5.2 非連續(xù)介質法

非連續(xù)介質法主要有離散元法(DEM)和離散裂隙網(wǎng)格法(DFM),前者在圍巖開裂研究中的應用較多,后者多用于巖體滲流分析中。

PFC是顆粒流分析軟件,主要從微觀結構角度研究介質的力學特性和行為,顆粒之間的接觸破壞形式可以分為剪切和張開兩種,比較適合用來研究巖體的破裂問題。運用PFC研究巖石在壓力作用下發(fā)生開裂破壞以及裂紋貫通的研究有很多,但PFC數(shù)值模擬最重要的問題就是顆粒細觀參數(shù)的確定,研究中多通過實際壓縮試驗與PFC模擬的對比,得到一個合理的細觀力學參數(shù)[57];Cho等[58]提出了一種特殊的集群粒子模型,通過數(shù)值模擬與實際試驗的對比,表明這種模型更能反映巖石的宏觀力學特性。此外,PFC在多條裂紋擴展的聚集和貫通、裂紋方向角、圍壓對擴展機理的影響等方面也有較好的應用[59]。

顯式DEM軟件UDEC、3DEC等在巖石的破裂、圍巖的穩(wěn)定分析等方面的研究應用很多,特別是用于研究巖石材料的各向異性對圍巖開裂的影響[29]、巖石不同受力狀態(tài)的開裂破壞過程[60];Kazerani等[61]還將集群粒子模型引入到UDEC中,通過接觸參數(shù)(剪切模量、摩擦角、黏聚力、抗拉強度等)的調整模擬獲得巖石的宏觀參數(shù)(彈性模量、泊松比等);朱煥春等[62]采用3DEC軟件,分析了結構面對高應力區(qū)地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響。此外,基于擴展DEM和隱式DEM的數(shù)值模擬方法在巖石開裂等方面的研究也越來越多[63-64]。

5.3 連續(xù)與非連續(xù)介質結合法

連續(xù)介質法在實際工程中用來分析圍巖的穩(wěn)定、小變形有自身的優(yōu)勢,非連續(xù)介質法在模擬包含多個裂紋、節(jié)理巖體的開裂破壞,且破裂塊體伴隨著大的位移等方面更加適合,因此采用二者結合的方法可以揚長避短,取得更好成果。

不少學者通過不同軟件的耦合計算研究圍巖的開裂,如Potyondy等[57]在圍巖開裂分析中,對可能發(fā)生開裂的區(qū)域采用PFC模擬,其他區(qū)域采用FLAC模擬,初始地應力加在FLAC模型外邊界,模擬結果比較接近實際;Cai等[65]用FLAC/PFC耦合研究了大型地下洞室開挖過程中巖體的開裂及聲發(fā)射過程,研究中通過位移、速度、力在每一步計算中的數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)耦合,聲發(fā)射傳感器周圍的巖體采用PFC建模,其余巖體采用FLAC建模并考慮復雜地質條件和開挖順序,分析結果表明與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)十分吻合;Cai[27]采用一種結合FEM/DEM的軟件ELFEN模擬了巖石雙向受壓應力狀態(tài)下的開裂情況。Lisjak等[66]采用FEM/DEM的方法對頁巖的開挖損傷區(qū)分布和巖石破裂機制進行了模擬和研究,取得較好成果。

6 存在的問題及展望

目前,國內外關于高地應力下圍巖開裂問題的研究,在圍巖開裂的機制、判據(jù)等方面已取得重要進展,但對圍巖開裂問題的研究還不夠系統(tǒng)、全面。隨著我國西南地區(qū)水電資源的不斷開發(fā),面臨高地應力問題的地下工程越來越多,進一步推進高應力下圍巖開裂問題相關研究的不斷深入十分重要。

6.1 爆破開挖對圍巖開裂問題的影響

爆破開挖首先不能忽視爆炸動荷載對圍巖開裂的影響。炸藥在巖體中爆炸,產(chǎn)生沖擊波,造成近區(qū)巖體發(fā)生壓碎破壞,往外沖擊波衰減為應力波,在應力波擾動下圍巖發(fā)生應力調整甚至產(chǎn)生拉應力,造成巖石微裂紋擴展;炸藥爆炸同時,產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體,高速膨脹的氣體滲入沖擊裂紋中,增大其尖端的應力強度因子而使其進一步擴展,這些因素都將加劇圍巖的開裂破壞。

爆破開挖引起圍巖應力的動態(tài)調整對圍巖開裂也有影響。鉆爆開挖下,新的開挖面在數(shù)毫秒至數(shù)十毫秒時間內形成,伴隨開挖進行的巖體應力場的調整是一個動態(tài)過程[67],而目前研究多考慮為準靜態(tài)過程。不少學者的研究表明,高地應力下采用準靜態(tài)研究爆破開挖對圍巖開裂的影響,忽略動態(tài)卸荷及其引起的附加動應力的作用,顯然是不完整的[68-69],事實上,巖體應力動態(tài)釋放將導致開挖面巖體法向卸載、切向加載效應的加強,且爆炸荷載與附加動應力的耦合作用也會加劇圍巖的開裂。

6.2 鄰洞開挖對圍巖開裂問題的影響

隨著地下工程洞室規(guī)模的不斷擴大,洞室密集程度的不斷提高,相鄰洞室間隔或同時開挖的情況時有發(fā)生。當水平應力較高時,對于已開挖完畢形成自由面的隧洞,距離較近的相鄰洞室開挖容易引起圍巖應力的二次分布,造成巖體的進一步開裂;相距較遠的洞室鉆爆開挖,易引起已開挖隧洞圍巖發(fā)生振動,也可能加劇圍巖的開裂情況;已形成的洞室自由面還會造成相鄰洞室鉆爆開挖過程中產(chǎn)生的壓應力波反射成為拉應力波,進一步加劇圍巖開裂,由此可見,鄰洞爆破開挖對圍巖開裂問題的影響還需進一步研究。

6.3 中間主應力對圍巖開裂問題的影響

目前針對圍巖開裂應力準則方面的研究,多基于平面問題分析,沒有考慮第二主應力σ2對圍巖開裂的影響;實際高地應力區(qū)地下工程,中間主應力的值一般比較大,甚至接近最大主應力,中間主應力對圍巖開裂的判據(jù)、范圍及裂紋的擴展等方面的影響不容忽視[27]。進一步通過力學試驗、三維數(shù)值模擬來研究巖石的開裂及裂紋擴展過程,確定中間主應力對圍巖開裂的影響是對圍巖開裂問題研究的完善。

6.4 數(shù)值模擬的繼續(xù)研究及發(fā)展

數(shù)值模擬極大地推動了圍巖開裂、裂紋擴展等問題的研究,但也還存在一些不足,如:數(shù)值模擬在一定程度上簡化了實際工程中的問題,忽略了部分重要因素(如巖石材料的各向異性等)對圍巖開裂問題的影響;目前常用的數(shù)值模擬軟件都有各自的優(yōu)勢和不足,不能全面、綜合地反映圍巖開裂問題。因此,在巖石的材料不均勻性和力學各向異性對圍巖開裂機理的影響、開裂問題的三維數(shù)值模擬等研究領域,數(shù)值模擬雖已取得部分成果,但仍將會是以后圍巖開裂問題研究的重點和突破口。

6.5 減少、控制圍巖開裂問題方面的研究

圍巖開裂問題研究的最終目的是解決實際工程中給工程的安全、質量帶來一系列隱患的圍巖脆性開裂破壞問題,因而如何有效地減少、控制地下工程洞室圍巖的開裂,有著十分重要的現(xiàn)實意義。由于地下工程的復雜性,單純的依靠前期勘測和室內試驗獲得的地質條件和巖石參數(shù)顯然是不夠的,必須結合原位測試與現(xiàn)場監(jiān)測技術手段,綜合各種影響因素,獲得及時、準確的圍巖力學參數(shù)和破壞形式,并及時反饋到工程的設計、施工中,局部優(yōu)化工程設計,指導具體施工措施,形成一個綜合、可靠的優(yōu)化設計系統(tǒng)[70],盡可能減小、控制圍巖開裂帶來的一系列問題對地下工程的影響,促進深埋高地應力地下工程的發(fā)展。

7 結 語

隨著我國西南地區(qū)水電資源的不斷開發(fā),深部巖體工程將會是未來研究的重點,同時這個領域的研究也將帶動其他行業(yè)的進一步發(fā)展,如深部采礦、交通建設、核廢料處置等,而圍巖開裂是這些工程不可避免的問題。本文就高地應力區(qū)圍巖開裂的機制、判據(jù)、影響因素等方面的研究進行了綜述和總結,對研究中的不足和今后的重點進行了展望,相信這一問題的繼續(xù)研究對推進水電等相關行業(yè)深部巖體工程的發(fā)展具有重要意義。

[1]MARTIN CD,CHRISTIANSSON R,S?DERH?LL J.Rock stability considerations for siting and constructing a KBS-3 repository based on experiences from Aspo HRL,AECL’s URL,tunnelling and mining[R].Stockholm:Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company,2001.

[2]DIEDERICHS M S,KAISER P K,EBERHARDT E. Damage initiation and propagation in hard rock during tunnelling and the influence of near-face stress rotation [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41(5):785-812.

[3]CAIM,KAISER P K,TASAKA Y,et al.Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41(5):833-847.

[4]HOEK E,KAISER P K,BAWDEN W F.Support of underground excavations in hard rock[M].Rotterdam: Balkema Press,1995.

[5]B?CKBLOM G,MARTIN C D.Recent Experiments in hard rocks to study the excavation response implications for the performance of a nuclearwaste geological repository [J].Tunneling and Underground Space Technology, 1999,14(3):377-394.

[6]史紅光.二灘水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定性因素評價[J].水電站設計,1999,15(2):75-78.(SHI Hongguang.Accesson the wall rock stability of the Ertan underground powerhouse[J].Storagedesign,1999,15(2):75-78.(in Chinese))

[7]王俤剴,彭琦,湯榮,等.地下廠房巖錨梁裂縫成因分析[J].巖石力學與工程學報,2007,26(10):2125-2129. (WANG Dikai,PENG Qi,TANG Rong,et al.Causes analysis of cracking of rock-bolted crane girder in an underground powerhouse[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(10):2125-2129. (in Chinese))

[8]吳文平,馮夏庭,張傳慶,等.深埋硬巖隧洞圍巖的破壞模式分類與調控策略[J].巖石力學與工程學,2011,30 (9):1782-1802.(WU Wenping,FENG Xiating,ZHANG Chuanqing,et al.Classification of failure modes and controllingmeasures for surrounding rock of deep tunnel in hard rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(9):1782-1802.(in Chinese))

[9]MARTIN C D,CHRISTIANSSON R.Estimating the potential for spalling around a deep nuclear waste repository in crystalline rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2009,46(2):219-228.

[10]KAISER P K,DIEDERICHSM S,MARTIN C D,et al. Underground works in hard rock tunnelling and mining [C]//Melbourne:International Society for Rock Mechanics,2000.

[11]READ R S.20 years of excavation response studies at AECL's underground research laboratory[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41 (8):1251-1275.

[12]錢七虎,李樹忱.深部巖體工程圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象研究綜述[J].巖石力學與工程學報,2008,27(6):1278-1284.(QIAN Qihu,LI Shuchen.A review of research on zonal disintegration phenomenon in deep rock engineering [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(6):1278-1284.(in Chinese))

[13]張傳慶,馮夏庭,周輝,等.深部試驗隧洞圍巖脆性破壞及數(shù)值模擬[J].巖石力學與工程學報,2010,29(10): 2063-2068.(ZHANG Chuanqing,FENG Xiating,ZHOU Hui,et al.Brittle failure of surrounding rock mass in deep test tunnels and its numerical simulation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29 (10):2063-2068.(in Chinese))

[14]唐春安,趙文.巖石破裂全過程分析軟件系統(tǒng)RFPA2D[J].巖石力學與工程學報,1997,16(5):507-508. (TANG Chun’an A,ZHAOWen.RFPA2Dsystem for rock failure process analysis[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1997,16(5):507-508.(in Chinese))

[15]魏進兵,鄧建輝,王俤剴,等.錦屏一級水電站地下廠房圍巖變形與破壞特征分析[J].巖石力學與工程學報, 2010,29(6):1198-1205.(WEI Jinbing,DENG Jianhui, WANG Dikai,et al.Characterization of deformation and fracture for rock mass in underground powerhouse of Jinping IHydropower Station[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(6):1198-1205.(in Chinese))

[16]WALSH JB.The effect of cracks on the uniaxial elastic compression of rocks[J].Journal of Geophysical Research,1965,70(2):399-411.

[17]LI C,PRIKRYL R,NORDLUND E.The stress-strain behaviour of rock material related to fracture under compression[J].Engineering Geology,1998,49(3):293-302.

[18]EBERHARDT E,STEAD D,STIMPSON B,et al. Identifying crack initiation and propagation thresholds in brittle rock[J].Canadian Geotechnical Journal,1998,35 (2):222-233.

[19]劉泉聲,胡云華,劉濱.基于試驗的花崗巖漸進破壞本構模型研究[J].巖土力學,2009,30(2):289-296.(LIU Quansheng,HU Yunhua,LIU Bing.Progressive damage constitutive models of granite based on experimental results[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(2):289-296.(in Chinese))

[20]朱維申,陳衛(wèi)忠,申晉.雁形裂紋擴展的模型試驗及斷裂力學機制研究[J].固體力學學報,1998,19(4):355-360.(ZHU Weishen,CHEN Weizhong,SHEN Jin. Simulation experiment and fracture mechanism study on propagation of echelon pattern cracks[J].Acta Mechanica Solida Sinica,1998,19(4):355-360.(in Chinese))

[21]李術才,朱維申.復雜應力狀態(tài)下斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷機理研究及其應用[J].巖石力學與工程學報,1999, 18(2):142-146.(LI Shucai,ZHU Weishen.Fracture damage mechanism of discontinuous jointed rock mass under the state of complex stress and its application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999,18(2):142-146.(in Chinese))

[22]李建林,孫志宏.節(jié)理巖體壓剪斷裂及其強度研究[J].巖石力學與工程學報,2000,19(4):444-448.(LI Jinlin,SUN Zhihong.Study on crack and strength of joint rock under compression-shear stress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2000,19(4):444-448.(in Chinese))

[23]劉寧,朱維申,于廣明,等.高地應力條件下圍巖劈裂破壞的判據(jù)及薄板力學模型研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(增刊1):3173-3179.(LIU Ning,ZHU Weishen,YU Guangming,et al.Research on mechanical model of thin plate and splitting failure criterion for surrounding rockswith high geostress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(Sup1): 3173-3179.(in Chinese))

[24]MORGAN SP,JOHNSON C A,EINSTEIN H H.Cracking processes in Barre granite:fracture process zones and crack coalescence[J].International Journal of Fracture, 2013,180(2):177-204.

[25]LEE H,JEON S.An experimental and numerical study of fracture coalescence in pre-cracked specimens under uniaxial compression[J].International Journal of Solids and Structures,2011,48(6):979-999.

[26]SAHOURYEH E,DYSKIN A V,GERMANOVICH L N.Crack growth under biaxial compression[J].Engineering Fracture Mechanics,2002,69(18):2187-2198.

[27]CAIM.Influence of intermediate principal stress on rock fracturing and strength near excavation boundaries:insight from numericalmodeling[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2008,45(5):763-772.

[28]DIEDERICHSM S.Instability of hard rockmasses:the role of tensile damage and relaxation[D].Waterloo,Belgium: University ofWaterloo,1999.

[29]LAN H,MARTIN C D,HU B.Effect of heterogeneity of brittle rock on micromechanical extensile behavior during compression loading[J].Journal of Geophysical Research 2010,115(B1):1-14.

[30]賀永年,張后全.深部圍巖分區(qū)破裂化理論和實踐的討論[J].巖石力學與工程學報,2008,27(11):2369-2375.(HE Yongnian,ZHANG Houquan.Discussion on theory and practice of zonal disintegration in surrounding rocks of deep roadways[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(11):2369-2375. (in Chinese))

[31]陳旭光,張強勇.高應力深部洞室模型試驗分區(qū)破裂現(xiàn)象機制的初步研究[J].巖土力學,2011,32(1):84-90. (CHEN Xuguang,ZHANG Qiangyong.Mechanism analysis of phenomenon of zonal disintegration in deep tunnelmodel test under high geostress[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(1):84-90.(in Chinese))

[32]王明洋,范鵬賢,李文培.巖石的劈裂和卸載破壞機制[J].巖石力學與工程學報,2010,29(2):234-241. (WANG Mingyang,FAN Pengxian,LI Wenpei.The mechanism of splitting and unloading failure of rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010,29(2):234-241.(in Chinese))

[33]孫廣忠,黃運飛.高邊墻地下洞室洞壁圍巖板裂化實例及其力學分析[J].巖石力學與工程學報,1988,7(1): 15-24.(SUN Guangzhong,HUANG Yunfei.An example slab-rending in the surrounding rock of underground excavation with high walls and its mechanical analysis [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1988,7(1):15-24.(in Chinese))

[34]侯哲生,龔秋明,矯偉剛,等.深埋圓形隧洞板裂化弧形巖板凹曲變形的論證[J].巖土工程學報,2013,35 (3):551-558.(HOU Zhesheng,GONG Qiuming,JIAO Weigang,et al.Demonstration of concave deformation of arc-shaped rock slabs in deep circular tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35 (3):551-558.(in Chinese))

[35]BRACEW F,PAULDING BW,SCHOLZ C H.Dilatancy in the fracture of crystalline rocks[J].Journal of Geophysical Research,1966,71(16):3939-3953.

[36]MARTIN CD,CHANDLER N A.The progressive fracture of Lac du Bonnetgranite[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1994,31(6):643-659.

[37]NICKSIAR M,MARTIN C D.Evaluation of methods for determining crack initiation in compression tests on lowporosity rocks[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2012,45(4):607-617.

[38]MARTIN C D,KAISER P K,MCCREATH D R.Hoek-Brown parameters for predicting the depth of brittle failure around tunnels[J].Canadian Geotechnical Journal,1999, 36(1):136-151.

[39]EMSLEY S,OLSSON O,STENBERG L,et al.ZEDEX:a study of damage and disturbance from tunnel excavation by blasting and tunnel boring[R].Stockholm:Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company,1997.

[40]ROJAT F,LABIOUSE V,KAISER P K,et al.Brittle rock failure in the Steg lateral adit of the L?tschberg base tunnel[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2009, 42(2):341-359.

[41]CAIM,KAISER P K.In-situ rock spalling strength near excavation boundaries[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2014,47(2):659-675.

[42]嚴鵬,盧文波,單治鋼,等.深埋隧洞爆破開挖損傷區(qū)檢測及特性研究[J].巖石力學與工程學報,2009,28 (8):1552-1561.(YAN Peng,LU Wenbo,SHAN Zhigang,et al.Detecting and study of blasting excavationinduced damage of deep tunnel and its characters[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009,28(8):1552-1561.(in Chinese))

[43]EVERITTR A,LAJTAIE Z.The influence of rock fabric on excavation damage in the Lac du Bonnett granite[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41(8):1277-1303.

[44]嚴鵬,盧文波,陳明,等.TBM和鉆爆開挖條件下隧洞圍巖損傷特性研究[J].土木工程學報,2009,42(11): 121-128.(YAN Peng,LU Wenbo,CHEN Ming,et al. Study of the damage characteristics of surrounding rocks for tunnels constructed using TBM and drill-and blast[J]. China Civil Engineering Journal,2009,42(11):121-128. (in Chinese))

[45]YOUNG R P,COLLINS D S.Seismic studies of rock fracture at the Underground Research Laboratory,Canada [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2001,38(6):787-799.

[46]CAIM,KAISER P K.Assessment of excavation damaged zone using a micromechanics model[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2005,20(4):301-310.

[47]TANG C A,WANG J M,ZHANG J J.Preliminary engineering application of microseismic monitoring technique to rockburst prediction in tunneling of Jinping II Project[J].Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering,2010,2(3):193-208.

[48]LOCKNER D.The role of acoustic emission in the study of rock fracture[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1993, 30(7):883-899.

[49]趙興東,李元輝,袁瑞甫,等.基于聲發(fā)射定位的巖石裂紋動態(tài)演化過程研究[J].巖石力學與工程學報,2007, 26(5):944-949.(ZHAO Xingdong,LI Yuanhui,YUANRuifu,et al.Study on crack dynamic propagation process of rock samples based on acoustic emission location[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(5):944-949.(in Chinese))

[50]MEGLIS I L,CHOW T,MARTIN C D,et al.Assessing in situ microcrack damage using ultrasonic velocity tomography[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2005,42(1):25-34.

[51]張國華,陳禮彪,夏祥,等.大斷面隧道爆破開挖圍巖損傷范圍試驗研究及數(shù)值計算[J].巖石力學與工程學報,2009,28(8):1610-1619.(ZHANG Guohua,CHEN Libiao,XIA Xiang,et al.Numerical simulation and experimental study of damage range of surrounding rock in large tunnelunder blasting excavating[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(8):1610-1619.(in Chinese))

[52]JING L,HUDSON J A.Numerical methods in rock mechanics[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2002,39(4):409-427.

[53]CAI M.Influence of stress path on tunnel excavation response-numerical tool selection and modeling strategy [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2008,23(6):618-628.

[54]HIDALGO K P,NORDLUND E.Failure process analysis of spalling failure:comparison of laboratory test and numericalmodelling data[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2012,32:66-77.

[55]TANG C A.Numerical simulation of progressive rock failure and associated seismicity[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,1997,34:249-262.

[56]JIA P,YANG T H,YU Q L.Mechanism of parallel fractures around deep underground excavations[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics,2012,61:57-65.

[57]POTYONDY D O,CUNDALL P A.A bonded-particle model for rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2004,41(8):1329-1364.

[58]CHO N,MARTIN C D,SEGO D C.A clumped particle model for rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007,44(7):997-1010.

[59]MANOUCHEHRIAN A,SHARIFZADEH M,MARJIM F, et al.A bonded particle model for analysis of the flaw orientation effect on crack propagation mechanism in brittlematerials under compression[J].Archives of Civil and Mechanical Engineering,2014,14(1):40-52.

[60]KAZERANI T,YANG Z Y,ZHAO J.A discrete element model for predicting shear strength and degradation of rock joint by using compressive and tensile test data[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2012,45(5):695-709.

[61]KAZERANI T,ZHAO J.Micromechanical parameters in bonded particle method for modelling of brittle material failure[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,2010,34(18): 1877-1895.

[62]朱煥春,PATRICK A,鐘輝亞.基于3DEC節(jié)理巖體數(shù)值計算方法及其應用(二):工程應用[J].巖石力學與工程學報,2005,24(1):89-96.(ZHU Huanchun, PATRICK A,ZHONG Yahui.Numerical modelling methods and application in jointed rock mass(Part 2): application for engineering practice[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(1):89-96. (in Chinese))

[63]JIANG Y J,LIB,YAMASHITA Y.Simulation of cracking near a large underground cavern in a discontinuous rock mass using the expanded distinct element method[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2009,46(1):97-106.

[64]NING Y J,YANG J,AN X M,et al.Modelling rock fracturing and blast-induced rock mass failure via advanced discretisation within the discontinuous deformation analysis framework[J].Computers and Geotechnics,2011,38(1):40-49.

[65]CAIM,KAISER P K,MORIOKA H,et al.FLAC/PFC coupled numerical simulation of AE in large-scale underground excavations[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2007,44(4):550-564.

[66]LISJAK A,TATONE B S A,GRASSELLI G,et al. Numerical modelling of the anisotropic mechanical behaviour of opalinus clay at the laboratory-scale using FEM/DEM[J].Rock Mechanics and Rock Engineering, 2014,47(1):187-206.

[67]盧文波,周創(chuàng)兵,陳明,等.開挖卸荷的瞬態(tài)特性研究[J].巖石力學與工程學報,2008,27(11):2184-2192. (LU Wenbo,ZHOU Chuangbing,CHEN Ming,et al. Research on transient characteristics of excavation unloading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(11):2184-2192.(in Chinese))

[68]CARTER,JP,BOOKER JR.Sudden excavation of a long circular tunnel in elastic ground[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanics Abstracts,1990,27(2):129-132.

[69]范鵬賢,王明洋,錢七虎.深部非均勻巖體卸載拉裂的時間效應和主要影響因素[J].巖石力學與工程學報, 2010,29(7):1389-1396.(FAN Pengxian,WANG Mingyang,QIAN Qihu.Time effect and main influence factors of unloading splitting of deep-seated rock with nonuniformities[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(7):1389-1396.(in Chinese))

[70]馮夏庭,江權,向天兵,等.大型洞室群智能動態(tài)設計方法及其實踐[J].巖石力學與工程學報,2011,30(3): 433-448.(FENG Xiating,JIANG Quan,XIANG Tianbing, et al.Intelligent and dynamic design methodology of large cavern group and its practice[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(3):433-448.(in Chinese))

A review of the rock fracture in cavern under high in-situ stress

WANG Yichang1,2,LUWenbo1,2,CHEN Ming1,2, YAN Peng1,2(1.State Key Laboratory ofWater Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Key Laboratory ofRock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering ofMinistry ofEducation,Wuhan University,Wuhan 430072,China)

In this paper,a review of recent research progress of rock fracture in underground cavern under high in-situ stress are presented.Themechanism of rock fracture,the stress and strain cracking criterions are thoroughly analyzed.The factors influencing the rock brittle fracture,the common methods of monitoring and control,such as micro-seismic monitoring,acoustic emission monitoring as well as the common numerical simulation softwares are summarized.In addition,the deficiencies of current research are pointed out,including the influence of blasting excavation,adjacent caverns excavation and the intermediate principal stress on the rock fracture.Finally,this paper proposed severalmajor points and breakthrough directions for future research,such as the coupled analysis of the blast loading and the dynamic unloading of the stress,continuous and non-continuous coupled numerical simulation and the dynamic design of underground cavern.

underground cavern;rock fracture;high in-situ stress;cracking criterion;rock monitoring;numerical simulation

TU457

A

1006-7647(2015)02-0085-10

10.3880/j.issn.1006 7647.2015.02.017

2013-12-26 編輯:熊水斌)

國家杰出青年科學基金(51125037);國家自然科學基金(51279135);高校博士點基金(20110141110026)

王義昌(1991—),男,河南洛陽人,碩士研究生,主要從事深部巖體工程圍巖開裂研究。E-mail:ycwang@whu.edu.cn